Warum scheint sich die Zeit dann nur in eine Richtung zu bewegen?
Eine der möglichen Antworten kann auch die Geheimnisse der fehlenden Masse enthüllen. Einige der Fakten unserer Erfahrung sind so offensichtlich und weit verbreitet wie der Unterschied zwischen Vergangenheit und Zukunft. Wir erinnern uns an eine Sache, aber wir erwarten eine andere. Wenn Sie den Film in die entgegengesetzte Richtung laufen lassen, ist dies nicht realistisch. Wir sagen "Pfeil der Zeit", was den Weg von der Vergangenheit in die Zukunft bedeutet.
Man könnte annehmen, dass die Existenz des Zeitpfeils in die Grundgesetze der Physik eingebaut ist. Das Gegenteil ist aber auch der Fall. Wenn Sie einen Film über subatomare Ereignisse machen würden, würden Sie feststellen, dass seine zeitumgekehrte Version ziemlich vernünftig aussieht. Genauer gesagt funktionieren die Grundgesetze der Physik - mit Ausnahme winziger exotischer Ausnahmen, auf die wir zurückkommen werden - unabhängig davon, ob wir den Hebel der Zeit vorwärts oder rückwärts drehen. Vor dem Hintergrund der Grundgesetze der Physik ist der Zeitpfeil reversibel.
Logischerweise muss eine Transformation, die die Richtung der Zeit umkehrt, auch grundlegende Gesetze ändern. Der gesunde Menschenverstand bestimmt, was soll. Aber es ändert sich nicht. Physiker verwenden ein bequemes Akronym, um diese Tatsache zu beschreiben. Sie nennen die Transformation, die den Zeitpfeil umkehrt, einfach T, von der Zeitumkehr. Und die Tatsache, dass T grundlegende Gesetze nicht ändert, wird als "T-Invarianz" oder "T-Symmetrie" bezeichnet.
Alltagserfahrungen verletzen die T-Invarianz, während grundlegende Gesetze sie respektieren. Diese offensichtliche Diskrepanz wirft schwierige Fragen auf. Wie schafft es die reale Welt, deren Grundgesetze die T-Symmetrie respektieren, so asymmetrisch auszusehen? Ist es möglich, dass wir eines Tages Wesen finden, die im entgegengesetzten Rhythmus der Zeit leben - die jünger werden, wenn wir älter werden? Können wir durch einen physischen Prozess unseren eigenen Zeitpfeil umkehren?
Dies sind interessante Fragen, auf die wir später zurückkommen werden. In diesem Artikel beschloss Frank Wilczek, theoretischer Physiker am Massachusetts Institute of Technology und Nobelpreisträger, ein anderes Thema zu behandeln. Es entsteht, wenn Sie am anderen Ende im Rahmen einer gemeinsamen Erfahrung beginnen. Das Rätsel ist das?
Warum haben Grundgesetze diese problematische und seltsame Eigenschaft, die T-Invarianz?
Die Antwort, die heute angeboten werden kann, ist unvergleichlich tiefer und komplexer als das, was wir vor 50 Jahren anbieten konnten. Das heutige Verständnis ist aus dem brillanten Zusammenspiel von experimenteller Entdeckung und theoretischer Analyse hervorgegangen, die mehrere Nobelpreise gewonnen haben. In unserer Antwort fehlen jedoch einige Elemente. Die Suche nach ihnen kann zu einer unerwarteten Belohnung führen: der Definition der kosmologischen "dunklen Materie".
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Die moderne Geschichte der T-Invarianz begann 1956. In diesem Jahr stellten T. D. Lee und C. N. Young ein anderes, aber verwandtes Merkmal des physikalischen Rechts in Frage, das zuvor als selbstverständlich angesehen worden war. Lee und Young wurden nicht von T selbst gestört, sondern von seinem räumlichen Gegenstück, der Paritätstransformation von P. Während T das Betrachten von Filmen beinhaltet, die in der Zeit zurückreichen, beinhaltet P das Betrachten von Filmen, die in einem Spiegel reflektiert werden. P-Invarianz ist die Hypothese, dass die Ereignisse, die Sie in reflektierten Filmen sehen, denselben Gesetzen wie in den Originalen folgen. Lee und Young identifizierten indirekte Inkonsistenzen in dieser Hypothese und schlugen ein wichtiges Experiment vor, um sie zu testen. Experimente über mehrere Monate haben gezeigt, dass die P-Invarianz in vielen Fällen verletzt wird. (Die P-Invarianz bleibt für gravitative, elektromagnetische und starke Wechselwirkungen erhalten.aber im Allgemeinen für schwache Wechselwirkungen verletzt).
Diese dramatischen Ereignisse rund um die P- (In-) Invarianz haben die Physiker dazu veranlasst, über die T-Invarianz nachzudenken, eine verwandte Annahme, die auch einmal als selbstverständlich angesehen wurde. Die T-Invarianz-Hypothese wurde jedoch mehrere Jahre lang strengen Tests unterzogen. Erst 1964 entdeckte eine Gruppe unter der Leitung von James Cronin und Valentina Fitch einen besonderen, subtilen Effekt beim Zerfall von K-Mesonen, der die T-Invarianz verletzt.
Die Weisheit von John Mitchells Verständnis - dass "Sie nicht wissen, was Sie haben, bis es weg ist" - wurde später bewiesen.
Wenn wir wie kleine Kinder immer wieder nach dem Warum fragen, werden wir für eine Weile tiefere Antworten erhalten, aber irgendwann werden wir den Tiefpunkt erreichen, wenn wir zu einer Wahrheit kommen, die wir nicht einfacher erklären können. In diesem Moment erklären wir den Sieg: "Alles ist so wie es ist." Aber wenn wir später Ausnahmen von unserer vermeintlichen Wahrheit finden, wird uns diese Antwort nicht mehr befriedigen. Wir müssen weitermachen.
Solange T-Invarianz eine universelle Wahrheit ist, ist nicht klar, wie nützlich unsere Frage am Anfang sein wird. Warum war das Universum T-invariant? Nur weil. Aber nach Cronin und Fitch kann das T-Invarianz-Puzzle einfach nicht ignoriert werden.
Viele theoretische Physiker haben sich dem lästigen Problem gestellt, zu verstehen, wie T-Invarianz extrem genau sein kann, aber nicht ganz. Und hier hat sich die Arbeit von Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa als nützlich erwiesen. 1973 schlugen sie vor, dass die ungefähre T-Invarianz eine zufällige Folge anderer, tieferer Prinzipien ist.
Zeit ist vergangen. Kurz zuvor wurden die Konturen des modernen Standardmodells der Elementarteilchenphysik und damit ein neues Maß an Transparenz grundlegender Wechselwirkungen gezeichnet. Bis 1973 gab es einen starken - und empirisch erfolgreichen - theoretischen Rahmen, der auf mehreren "heiligen Prinzipien" beruhte. Dies sind Relativitätstheorie, Quantenmechanik und eine mathematische Regel der Gleichförmigkeit, die als Eichensymmetrie bezeichnet wird.
Es erwies sich jedoch als schwierig, all diese Ideen zusammenzubringen. Zusammen schränken sie die Möglichkeiten für grundlegende Interaktionen erheblich ein.
Kobayashi und Maskawa haben in zwei kurzen Absätzen zwei Dinge getan. Erstens zeigten sie, dass, wenn wir die Physik auf die damals bekannten Teilchen beschränken (zum Beispiel wenn es nur zwei Familien von Quarks und Leptonen gibt), alle Wechselwirkungen, die durch heilige Prinzipien erlaubt sind, auch der T-Invarianz folgen. Wenn Cronin und Fitch ihre Entdeckung nie gemacht hätten, wäre dies nicht der Fall. Aber sie taten es und Kobayashi und Maskawa gingen noch weiter. Sie zeigten, dass wenn wir einen speziellen Satz neuer Partikel (die dritte Familie) einführen, diese Partikel zu neuen Wechselwirkungen führen, was zu Verstößen gegen die T-Invarianz führt. Auf den ersten Blick genau das, was der Arzt bestellt hat.
In den folgenden Jahren war ihr brillantes Beispiel für Detektivarbeit völlig gerechtfertigt. Die neuen Teilchen, die Kobayashi und Maskawa zugegeben hatten, wurden entdeckt, und ihre Wechselwirkungen erwiesen sich als genau das, was sie hätten sein sollen.
Achtung, Frage. Sind diese heiligen Prinzipien wirklich heilig? Natürlich nicht. Wenn Experimente Wissenschaftler dazu bringen, diese Prinzipien zu ergänzen, werden sie sich sicherlich ergänzen. Im Moment sehen heilige Prinzipien verdammt gut aus. Und sie waren fruchtbar genug, um sie ernst zu nehmen.
Bisher war es eine Geschichte des Triumphs. Die Frage, die wir zu Beginn stellten, eines der schwierigsten Rätsel, wie die Welt funktioniert, erhielt eine teilweise Antwort: tief, schön, fruchtbar.
Einige Jahre nach der Arbeit von Kobayashi und Maskawa entdeckte Gerard t'Hooft eine Lücke in ihrer Erklärung der T-Invarianz. Heilige Prinzipien ermöglichen eine zusätzliche Art der Interaktion. Die mögliche neue Wechselwirkung ist ziemlich subtil, und die Entdeckung von t'Hooft überraschte die meisten theoretischen Physiker.
Die neue Wechselwirkung würde, wenn sie mit erheblicher Stärke vorhanden wäre, die T-Invarianz in einem viel offensichtlicheren Ausmaß verletzen als der von Cronin, Fitch und ihren Kollegen entdeckte Effekt. Insbesondere würde es der Rotation des Neutrons ermöglichen, zusätzlich zu dem Magnetfeld, das es induzieren kann, ein elektrisches Feld zu erzeugen. (Das Magnetfeld eines sich drehenden Neutrons ist analog zu dem, was unsere sich drehende Erde erzeugt, wenn auch in einem völlig anderen Maßstab.) Experimentatoren haben intensiv nach solchen elektrischen Feldern gesucht, aber ihre Suche hat keine Ergebnisse erbracht.
Es ist, als ob die Natur die Lücke von t'Hooft nicht nutzen will. Natürlich ist dies ihr Recht, aber dieses Recht wirft erneut unsere Frage auf: Warum folgt die Natur der T-Invarianz so sorgfältig?
Es wurden mehrere Erklärungen angeboten, aber nur eine hat den Test der Zeit bestanden. Die zentrale Idee gehört Roberto Pezzie und Helen Quinn. Ihr Vorschlag, wie der von Kobayashi und Maskawa, beinhaltet die Erweiterung des Standardmodells auf besondere Weise. Zum Beispiel durch ein neutralisierendes Feld, dessen Verhalten besonders empfindlich auf die neue t'Hooft-Interaktion reagiert. Wenn eine neue Wechselwirkung vorliegt, passt das Neutralisationsfeld seine eigene Größe an, um den Einfluss dieser Wechselwirkung zu kompensieren. (Dieser Abstimmungsprozess ähnelt im Allgemeinen dem, wie sich negativ geladene Elektronen in Festkörpern um positiv geladene Verunreinigungen sammeln und deren Einfluss abschirmen.) Es stellt sich heraus, dass ein solches neutralisierendes Feld unsere Lücke schließt.
Pezzie und Quinn haben die wichtigen überprüfbaren Implikationen ihrer Idee vergessen. Die durch ihr Neutralisationsfeld - seine Quanten - erzeugten Teilchen müssen bemerkenswerte Eigenschaften haben. Da sie ihre Partikel vergessen hatten, nannten sie sie auch nicht. Dadurch konnte ich meinen Kindheitstraum erfüllen.
Ein paar Jahre zuvor hatte ich in einem Supermarkt namens Axion eine bunte Schachtel gesehen. Es schien mir, dass das "Axion" wie ein Teilchen klingt und es anscheinend ist. Als ich ein neues Partikel entdeckte, das das Problem mit einer "axialen" Strömung "aufräumt", hatte ich das Gefühl, eine Chance zu haben. (Ich erfuhr bald, dass Steven Weinberg dieses Teilchen auch unabhängig entdeckte. Er nannte es das Higglet. Glücklicherweise stimmte er zu, diesen Namen fallen zu lassen.) So begann das Epos, dessen Abschluss nur noch zu schreiben ist.
In den Chroniken der Partikeldatengruppe finden Sie mehrere Seiten mit Dutzenden von Experimenten, die erfolglose Suchen nach dem Axion beschreiben. Es gibt aber immer noch Gründe für Optimismus.
Die Axion-Theorie sagt allgemein voraus, dass Axionen sehr leichte, sehr langlebige Teilchen sein sollten, die schwach mit gewöhnlicher Materie interagieren. Aber um Theorie und Experiment zu vergleichen, müssen Sie sich auf Zahlen verlassen. Und hier sind wir mit Mehrdeutigkeiten konfrontiert, da die bestehende Theorie den Wert der Axionmasse nicht festlegt. Wenn wir die Masse des Axions kennen würden, würden wir den Rest seiner Eigenschaften vorhersagen. Die Masse selbst kann jedoch in einem weiten Wertebereich liegen. (Das gleiche Problem bestand bei dem bezauberten Quark, dem Higgs-Teilchen, dem oberen Quark und mehreren anderen. Vor der Entdeckung jedes dieser Teilchen sagte die Theorie alle ihre Eigenschaften mit Ausnahme des Massenwerts voraus.) Es stellte sich heraus, dass die Wechselwirkungskraft des Axions proportional zu seiner Masse ist. Daher wird es mit abnehmendem Wert der Masse des Axions immer schwerer fassbar.
In der Vergangenheit haben sich Physiker auf Modelle konzentriert, bei denen das Axion eng mit dem Higgs-Teilchen verwandt ist. Es wurde angenommen, dass die Masse des Axions in der Größenordnung von 10 keV liegen sollte - ein Fünfzigstel der Masse eines Elektrons. Die meisten Experimente, über die wir zuvor gesprochen haben, suchten nach einer Axion eines solchen Plans. Gegenwärtig können wir sicher sein, dass solche Axionen nicht existieren.
Dunkle Materie
Daher wurde auf viel kleinere Werte der Axionmassen hingewiesen, die experimentell nicht ausgeschlossen wurden. Axionen dieser Art erscheinen ganz natürlich in Modellen, die Interaktionen im Standardmodell kombinieren. Sie erscheinen auch in der Stringtheorie.
Wir haben berechnet, dass Axionen in den frühen Momenten des Urknalls im Überfluss produziert werden sollten. Wenn überhaupt Axionen existieren, füllt die Axionsflüssigkeit das Universum. Der Ursprung der Axionflüssigkeit ähnelt in etwa dem Ursprung des berühmten kosmischen Mikrowellenhintergrunds, es gibt jedoch drei Hauptunterschiede zwischen den beiden. Zunächst wird der Mikrowellenhintergrund beobachtet und die Axionflüssigkeit bleibt rein hypothetisch. Zweitens beeinflusst ihre Flüssigkeit die Gesamtmassendichte des Universums, da Axionen Masse haben. Grundsätzlich haben wir berechnet, dass ihre Masse in etwa der Masse entsprechen sollte, die Astronomen hinter dunkler Materie bestimmt haben! Drittens sollten Axionen, da sie so schwach interagieren, schwieriger zu beobachten sein als CMB-Photonen.
Die experimentelle Suche nach Axionen wird an mehreren Fronten fortgesetzt. Zwei der vielversprechendsten Experimente zielen darauf ab, Axionflüssigkeit zu finden. Eines davon, ADMX (Axion Dark Matter eXperiment), verwendet spezielle überempfindliche Antennen, um Hintergrundachsen in elektromagnetische Impulse umzuwandeln. Ein anderes, CASPEr (Cosmic Axion Spin Precession Experiment), sucht nach winzigen Schwankungen in der Bewegung von Kernspins, die durch Axionflüssigkeit verursacht werden könnten. Darüber hinaus versprechen diese ausgeklügelten Experimente, nahezu den gesamten Bereich möglicher Axionmassen abzudecken.
Gibt es Axionen? Wir wissen es noch nicht. Ihre Existenz würde einen dramatischen und befriedigenden Abschluss der Geschichte des umkehrbaren Zeitpfeils bringen und vielleicht auch das Geheimnis der dunklen Materie im Handel lösen. Das Spiel begann.
Frank Wilczek, basierend auf dem Quanta Magazine
